韋俊丁

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊(duì)，廣東 清遠(yuǎn) 511520）

跨孔彈性波CT可分為地震跨孔彈性波CT和超聲波CT，是在不損壞待測(cè)物體的前提下，利用彈性波射線穿透被測(cè)物體，利用信號(hào)接收系統(tǒng)在物體的另一端接收到聲波射線。通常情況下跨孔彈性波CT多為一發(fā)多收聲系統(tǒng)，也就是在物體某一點(diǎn)單點(diǎn)發(fā)射彈性波射線，在物體的另一端作扇形排列接收，然后沿著物體另一端從上到下逐點(diǎn)同步移動(dòng)進(jìn)行掃描觀測(cè)[1]。由于跨孔彈性波CT具有效率高、無損害、精度高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域中，比如醫(yī)學(xué)、生物、航天等，在國外跨孔彈性波CT技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到地質(zhì)勘察領(lǐng)域中，并取得了一定的應(yīng)用成果，但是在國內(nèi)還沒有該方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前地質(zhì)工程勘察工作中仍采用傳統(tǒng)的人工勘察方法，傳統(tǒng)勘察方法在實(shí)際應(yīng)用中主要依靠人員的勘察經(jīng)驗(yàn)和勘察技術(shù)，很難獲取到精準(zhǔn)的巖體內(nèi)部信息，并且盡可以實(shí)現(xiàn)面上的二維探測(cè)，而無法實(shí)現(xiàn)面上的三維探測(cè)，隨著地質(zhì)工程勘察難度和要求的不斷提高，傳統(tǒng)勘察方法無論是在精度方面還是效率方面都無法滿足地質(zhì)工程勘察需求，為此提出跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用研究，為跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法

地質(zhì)工程勘察工作的主要內(nèi)容是通過勘察了解深層地質(zhì)巖體的分布情況和發(fā)育情況，進(jìn)而推斷出深層巖體的空間位置以及裂隙發(fā)育情況等，本文利用跨孔彈性波CT技術(shù)作為地質(zhì)工程主要測(cè)量手段，對(duì)地質(zhì)工程進(jìn)行三維空間探測(cè)，獲取到地質(zhì)工程巖體信息，并通過對(duì)巖體信息進(jìn)行分析得到地質(zhì)工程勘察結(jié)果，以下將對(duì)基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.1 基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)三維空間探測(cè)

通常情況下地質(zhì)工程場(chǎng)地內(nèi)地層一般為粉質(zhì)土和碎石土為主，這兩種土質(zhì)的縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s內(nèi)，并且工程場(chǎng)地的基巖通常為頁巖，中風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在2400m/s～3500m/s，微風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在3800m/s～4500m/s，未風(fēng)化頁巖的縱波波束Vp在4800m/s～5500m/s。此外場(chǎng)地深部的巖體發(fā)育區(qū)縱波波束Vp在1200m/s～1500m/s，各個(gè)地質(zhì)之間有明顯的波束差異，因此根據(jù)地質(zhì)工程勘察需求，此次選用跨孔彈性波CT技術(shù)對(duì)地質(zhì)進(jìn)行三維空間探測(cè)，獲取到深層巖體數(shù)據(jù)信息，用于后續(xù)地質(zhì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)分析，其探測(cè)過程如下[2]。

根據(jù)實(shí)際情況以及探測(cè)需求，本文采用型號(hào)為L(zhǎng)OKPS2S1型號(hào)跨孔彈性波CT掃描儀作為探測(cè)設(shè)備。首先利用HIS62地質(zhì)巖芯鉆機(jī)利用回轉(zhuǎn)方式對(duì)地表進(jìn)行鉆孔，為了更加精準(zhǔn)的獲取到地質(zhì)三維空間數(shù)據(jù)，鉆孔之間的間距要比較小，通常情況下根據(jù)實(shí)際情況而定，在5.5m～7.5m之間，鉆孔的孔徑大小控制在100mm～130mm之間，鉆孔的深度在35m～55m范圍內(nèi)，為了避免對(duì)地質(zhì)造成損壞，在鉆孔過程中需要進(jìn)行注水，利用水降低鉆孔產(chǎn)生的延誤和對(duì)地質(zhì)的摩擦?？壮芍髮⒅睆綖?5mm的聚氯乙烯套管護(hù)壁放入孔內(nèi)，以供跨孔彈性波CT掃描儀工作使用。

鉆孔完成之后，選取兩個(gè)比較近的鉆孔作為彈性波CT發(fā)射鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀通過激發(fā)高頻彈性波，向探測(cè)地質(zhì)進(jìn)行掃描；然后選擇另一側(cè)的鉆孔作為彈性波CT接收鉆孔，跨孔彈性波CT掃描儀內(nèi)置傳感裝置，利用傳感裝置接收到地質(zhì)反射回來的彈性波信號(hào)。在探測(cè)過程中需要開啟跨孔彈性波CT掃描儀的噪聲監(jiān)測(cè)功能，選擇噪聲比較小時(shí)間范圍內(nèi)作為信號(hào)接收時(shí)間段，以此跨孔彈性波CT掃描儀保證三維空間掃描探測(cè)數(shù)據(jù)的精度。利用計(jì)算機(jī)讀取到傳感裝置接收到的彈性波CT信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一保存，用于地質(zhì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)分析。

1.2 地質(zhì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)分析

跨孔彈性波CT掃描儀采集到的數(shù)據(jù)均是彈性波相關(guān)數(shù)據(jù)，若要通過對(duì)這些數(shù)據(jù)了解到深層巖體的空間位置以及裂隙發(fā)育情況，需要對(duì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。首先將勘察區(qū)域離散成若干個(gè)規(guī)格的網(wǎng)格單元，將地質(zhì)三維空間探測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)格單元中，形成網(wǎng)格化模型，用公式表示如下：

公式（1）中，ti為地質(zhì)工程離散區(qū)域網(wǎng)格化模型，即第i條彈性波射線的走時(shí)；dij為第i條彈性波射線穿過第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度；n為彈性波射線數(shù)量；m為地質(zhì)工程離散區(qū)域網(wǎng)格化模型的網(wǎng)格數(shù)量；v為彈性波的速度；(x,y)為彈性波射線的路徑。利用聯(lián)合迭代方法對(duì)上述公式進(jìn)行求解，可以得到每一個(gè)小方格內(nèi)的地質(zhì)彈性波慢度值，并分別取其倒數(shù)即可得到鉆孔間巖體分布情況，利用上述公式繪制出各個(gè)離散后地質(zhì)工程巖體三維空間模型圖，將所有離散后的區(qū)域巖體三維空間模型圖融合到一起，就形成了地質(zhì)工程勘察巖體三維空間分布圖，通過該圖可以了解到地質(zhì)工程巖體發(fā)育情況以及分布情況，確定巖體的具體發(fā)育位置和范圍，以此完成基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察[3]。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某地質(zhì)工程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該地質(zhì)工程勘察面積為6642.5m2，地質(zhì)土層為粉質(zhì)黏土、碎石土等，存在波速差異，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該地質(zhì)工程進(jìn)行勘察，得到深層巖體分布情況。

根據(jù)該地質(zhì)工程實(shí)際情況，在勘察區(qū)域內(nèi)布設(shè)10條測(cè)線，每個(gè)測(cè)線布置5個(gè)鉆孔，共計(jì)布置50個(gè)鉆孔，5對(duì)跨孔彈性波CT剖面。實(shí)驗(yàn)中工程地質(zhì)鉆孔孔徑為100mm，鉆孔孔深為45m。每個(gè)鉆孔利用礦孔彈性波CT三維空間探測(cè)掃描三次，取三次掃描中噪聲波動(dòng)最小的一組數(shù)據(jù)作為探測(cè)數(shù)據(jù)，共獲取數(shù)據(jù)1235.52MB，按照上文對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共獲取到5個(gè)巖體剖面圖。實(shí)驗(yàn)用電子表格記錄兩種方法勘察數(shù)據(jù)，將其與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，并利用GSS軟件計(jì)算出兩種勘察方法勘察結(jié)果的殘差值，殘差值是用于評(píng)價(jià)精度的一個(gè)有效指標(biāo)，其取值范圍在0-1之間，殘差值越接近1則說明勘察結(jié)果精度越低，與實(shí)際值之間的誤差越大，相符程度越??；殘差值越接近0則說明勘察結(jié)果精度越高，與實(shí)際值之間的誤差越小，相符程度越高。實(shí)驗(yàn)將殘差值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種地質(zhì)工程勘察方法進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖1 兩種方法勘察殘差值對(duì)比圖

從上圖可以明顯看出，基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法殘差值最低可以達(dá)到0.42δ，評(píng)價(jià)殘差值僅為0.63δ。而傳統(tǒng)方法最大殘差值為0.96δ，平均殘差值為0.89δ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明了基于跨孔彈性波CT的地質(zhì)工程勘察方法勘察精度更高，相比于傳統(tǒng)方法更適用于地質(zhì)工程勘察。

3 結(jié)語

本文對(duì)跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，利用跨孔彈性波CT技術(shù)掃描獲取到地質(zhì)工程相關(guān)信息，并且對(duì)其進(jìn)行處理和分析，形成一個(gè)新的地質(zhì)工程勘察方法，跨孔彈性波CT技術(shù)的應(yīng)用有效克服了傳統(tǒng)勘察方法對(duì)準(zhǔn)確獲取深度巖體信息的困難，提高了地質(zhì)工程勘察工作效率和精度，有助于實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程的三維空間探測(cè)，對(duì)跨孔彈性波CT在地質(zhì)工程勘察工作中的應(yīng)用具有一定的推廣作用。